在輕度混合動(dòng)力汽車中利用功率模塊和寬禁帶實(shí)現(xiàn)雙電池管理
發(fā)布時(shí)間:2021-01-14 來源:John Grabowski 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】為了應(yīng)對(duì)氣候變化,降低出行壓力,國家出臺(tái)了一系列的政策,包括實(shí)施了”國六“的排放標(biāo)準(zhǔn),外界把”國六“排放稱作” 史上最嚴(yán)“排放標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上,自從“國六”標(biāo)準(zhǔn)推行以來,很多車主表示,尾氣排放是減少了一半,但汽車動(dòng)力也明顯比以前減少了,甚至油耗都增加了。汽車減排降油耗勢(shì)在必行。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),其中一種方式就是采用混合動(dòng)力,即在汽油或柴油車輛的傳動(dòng)鏈中添加一個(gè)由第二個(gè)電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。
傳統(tǒng)的電子化采用一個(gè)高壓電池,電壓通常在300~400 V之間的,耦合至高性能電動(dòng)機(jī)。這些“全混合動(dòng)力”汽車可顯著提高燃油效率,但也會(huì)大大增加成本和車身重量。而“插電式”混合動(dòng)力汽車,即電池通過交流電源插座充電,也具有類似的缺點(diǎn)。
一種替代方案是“輕度混合動(dòng)力汽車”(MHEV),它采用48 V小型電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),既可以實(shí)現(xiàn)更快的加速和更大的低端扭矩,同時(shí)仍能提高燃油經(jīng)濟(jì)性,并且只會(huì)適度提高成本和復(fù)雜度。輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)備受廣大消費(fèi)者的青睞,據(jù)IHS Markit分析師預(yù)測(cè),到2025年,48 V輕度混合動(dòng)力汽車將占據(jù)混合動(dòng)力汽車銷量中的近50%。48 V系統(tǒng)的成本更低,因此也對(duì)汽車制造商極具吸引力。
增加了48 V鋰離子電池意味著MHEV為雙電壓汽車,這也造成了其獨(dú)有的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),主要在如何在管理電池充放電循環(huán)的同時(shí)維持系統(tǒng)效率。在本文中,我們將討論這些挑戰(zhàn),并探討使用汽車功率模塊以及基于寬禁帶技術(shù)的新型寬帶隙晶體管能為功率轉(zhuǎn)換器帶來哪些益處。
48 V架構(gòu)
最基本的混合動(dòng)力系統(tǒng)(參見下方圖片)包括電池、集成起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG) 、48 V至12 V轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)或多個(gè)48 V負(fù)載,就如一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。由于48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)保留了12 V電池和多個(gè)12 V負(fù)載,所以這些系統(tǒng)將在可預(yù)見的未來繼續(xù)采用雙電壓架構(gòu)。
48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)
ISG負(fù)責(zé)車輛的動(dòng)力供應(yīng)、車輛啟動(dòng)以及制動(dòng)期間的能源回收。
除了沒有12 V交流發(fā)電機(jī),系統(tǒng)的12 V電池部分保持原樣。由于ICE中沒有12 V電源發(fā)電機(jī),因此需要使用雙向轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)48 V系統(tǒng)與12 V系統(tǒng)之間的電源轉(zhuǎn)換。
MHEV雙向轉(zhuǎn)換器工
該雙向轉(zhuǎn)換器具有多種工作模式。在車輛啟動(dòng)期間,ISG由48 V鋰離子電池供電。如果48 V電池電量不足或無法提供足夠的電力(例如,由于低溫),轉(zhuǎn)換器將在升壓模式下工作,利用12 V電池提供額外的啟動(dòng)電流。通常情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停止功能將被禁止,直至所有系統(tǒng)均達(dá)到正常的工作溫度,此時(shí)車輛將開始正常重新啟動(dòng)。
當(dāng)車輛達(dá)到正常溫度并正在行駛,但無需額外加速時(shí),轉(zhuǎn)換器將在降壓模式下工作,以便使用48 V電池為12 V電池充電,并為12 V負(fù)載供電。當(dāng)需要額外電力時(shí),轉(zhuǎn)換器將再次切換至升壓模式,以便為ICE提供補(bǔ)充電力,降低燃油消耗和整體排放量。
轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
48 V至12 V轉(zhuǎn)換器通常具有(1~3) kW的寬功率范圍。為了在此范圍內(nèi)保持高能效,多級(jí)交錯(cuò)式降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是最受歡迎的選擇。
降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供壓降,在本例中為48 V至12 V的壓降,而升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供相反的功率轉(zhuǎn)換。同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在2種模式下使電源開關(guān)在大部分時(shí)間內(nèi)保持全開狀態(tài),從而提高轉(zhuǎn)換器的總體效率。
多相交錯(cuò)式設(shè)計(jì)并聯(lián)連接幾個(gè)相同的轉(zhuǎn)換器相位(單相示例參見下方圖片“雙向轉(zhuǎn)換器-單項(xiàng)”),以此充當(dāng)單個(gè)高功率轉(zhuǎn)換器。在重載情況下,所有相位都工作,但在輕載期間,可使用電池?cái)嗦烽_關(guān)關(guān)閉一些負(fù)載,從而降低損耗,提高效率。每個(gè)相位都會(huì)產(chǎn)生相位角略有不同的輸出電流,從而減少了輸出電容的紋波。使用交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器,而非單個(gè)大型轉(zhuǎn)換器,意味著每個(gè)相位的電流都更小,從而減少電源開關(guān)、導(dǎo)體和電感上的應(yīng)力(參見下方圖片“配置中的多相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器")。
雙向轉(zhuǎn)換器 - 單相
交錯(cuò)式配置中的多相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器
此類轉(zhuǎn)換器中的主要模塊包括電源斷路開關(guān)、降壓-升壓半橋、電流感測(cè)級(jí)、主電感和負(fù)載斷路開關(guān)。
同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是將兩個(gè)開關(guān)電路合并成單級(jí)電路。電源開關(guān)控制主能量轉(zhuǎn)換元件(電感)中的電流流動(dòng)。電感電流是需要控制的主要變量,因?yàn)樗鼘?duì)確保出色的系統(tǒng)精度至關(guān)重要。
電感電流的方向決定了電源電流方向,從而決定了接收電流的電池。系統(tǒng)控制器通過生成適當(dāng)?shù)拈_關(guān)模式來確定電流方向(參見下方圖片)。
基本的降壓-升壓轉(zhuǎn)換
轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
表1中概述了所需的主要電路元件。電源斷路級(jí)和負(fù)載斷路級(jí)都可使用分立式MOSFET或集成式MOSFET功率模塊。這些級(jí)的主要用途就是通過使用背靠背開關(guān)配置,將每個(gè)交錯(cuò)級(jí)的輸入和輸出分別與其他級(jí)以及48 V(源)和12 V(負(fù)載)電池隔離開來。由于這些MOSFET均在浮動(dòng)電壓電勢(shì)下工作,每個(gè)器件均由具有高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)功能的柵極驅(qū)動(dòng)器控制。MOSFET可能需要保持更長時(shí)間的導(dǎo)電性,因此必須能夠100%及時(shí)導(dǎo)電。
表1 適用于雙電壓MHEV系統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器主要功能模塊
降壓-升壓級(jí)是轉(zhuǎn)換器的核心,包含兩個(gè)采用半橋配置且連接至功率電感的MOSFET器件。這些MOSFET必須由可單獨(dú)封裝或聯(lián)合封裝至雙驅(qū)動(dòng)器IC中的高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器控制?;蛘?,可使用小型汽車功率模塊 (APM) (參見下方圖片)實(shí)現(xiàn)該級(jí)。
基于汽車功率模塊的設(shè)計(jì)
安森美半導(dǎo)體的這款集成式功率模塊采用符合AEC要求的小型封裝,具有低熱阻、低內(nèi)部電阻和更高的EMI性能。該實(shí)現(xiàn)中未使用電源斷路電路;對(duì)于個(gè)別的相位隔離,可以使用負(fù)載斷路電路。
主功率電感存儲(chǔ)每個(gè)轉(zhuǎn)換器相位的能量,并將傳輸至任一電池。轉(zhuǎn)換器控制器負(fù)責(zé)控制兩個(gè)確定電流方向的主開關(guān)。為了使該級(jí)正常運(yùn)行,必須準(zhǔn)確地測(cè)量電流,以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整主電感電流。最好使用基于分流電阻的電流感應(yīng)放大器,因?yàn)槠湔`差極低。
通過使用高精度分流電阻,我們可以測(cè)量非常小的差分電壓,通常為幾十或幾百mV,而分流電壓本身可以在0~48 V對(duì)地電壓之間變化。這種巨大的差異意味著,放大器必須放大較小的差分信號(hào),并提供較高的共模電壓抑制比,同時(shí)能夠耐受高達(dá)80 V的瞬變電壓。因此,必須小心地選擇3個(gè)放大器規(guī)格:
● 共模電壓范圍(越寬越好);
● 輸入失調(diào)電壓(越小越好);
● 共模抑制比(越高越好)。
在傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器中,輸入端電壓限制在供電軌電壓±0.6 V的范圍內(nèi),因此大大限制了共模電壓范圍。近年來,專用的電流感應(yīng)放大器提供了更大的共模電壓范圍,高達(dá)80 V。它們還提供高精度、低至10 µV的失調(diào)電壓,能支持準(zhǔn)確度高且快速的電流監(jiān)控系統(tǒng)。
使用寬禁帶的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
隨著汽車應(yīng)用對(duì)尺寸和效率的要求不斷提高,寬禁帶 (WBG) 器件(如安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品)成為標(biāo)準(zhǔn)硅器件的替代品。寬禁帶器件可以提高效率并縮小尺寸,同時(shí)降低系統(tǒng)總成本。
由于寬禁帶器件可以顯著降低開關(guān)損耗,因此使用寬禁帶的降壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)數(shù)倍于典型硅功率晶體管的轉(zhuǎn)換速度,從而最大限度地減少了頻率范圍內(nèi)可能影響AM無線電接收的電磁干擾。此外,寬禁帶晶體管不存在反向恢復(fù)損耗,因此不會(huì)在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)大電流尖峰和功率損耗。
總結(jié)
隨著大量新型輕度混合動(dòng)力汽車的普及,越來越多的汽車配備了48 V電池子系統(tǒng),從而需要使用48 V至12 V轉(zhuǎn)換器。雖然可以使用許多不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但雙向交錯(cuò)式同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器由于其簡單高效性而成為使用最廣泛的結(jié)構(gòu)。
該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以設(shè)計(jì)為多個(gè)交錯(cuò)式相位,從而能夠在較大的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。這一點(diǎn)非常重要,因?yàn)?2 V車輛負(fù)載會(huì)隨著時(shí)間推移出現(xiàn)非常大的變化,即使轉(zhuǎn)換器需要能夠在最大負(fù)載條件下工作,但它卻很少長時(shí)間保持在此負(fù)載條件下。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí),轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉不必要的交錯(cuò)式相位,以降低損耗,保持高效。
作者:John Grabowski,安森美半導(dǎo)體電源方案部門 首席應(yīng)用和市場(chǎng)工程師
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索